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受益于高安全性、豐富儲量、低成本和高能量密度的優勢，水系鋅基可充電池（AZBs）作為有前景的儲能候選者受到了廣泛關注。為了獲得具有高可逆性和能量密度的高性能AZBs，人們致力于通過專注于電極材料和電解液的改性來克服其缺點。

加拿大魁北克大學國家科學研究院Shuhui Sun、Gaixia Zhang、中國地質大學（武漢）楊華明等系統地總結了具有不同氧化還原機制的AZBs的最新進展，包括嵌入/脫出反應、雙重溶解/沉積反應、氧化還原對機制、氧基電化學和CO₂電化學。除了鋅負極和電解液的開發之外，還討論了各種類型的正極材料和提高電化學性能的策略。最后，總結了AZBs面臨的剩余挑戰，并提出了進一步研究的觀點。

InfoMat：水系鋅基可充電池：最新進展和未來展望

圖1. 堿性電解液中鋅電極問題的示意圖

鋅負極：為提高AZBs的循環壽命，大量的努力致力于解決鋅負極面臨的問題。在堿性和溫和電解液中，鋅負極表現出不同的反應機制、氧化還原電位和挑戰。堿性電解液中的鋅電極有五個主要問題，包括鋅電極腐蝕或溶解、形狀變化、鈍化（致密的ZnO層）、枝晶生長和析氫。

與堿性系統相比，在溫和電解液中可以避免鋅鈍化和形狀變化。然而，大多數水系鹽電解液的弱酸性會導致鋅電極腐蝕的問題。溫和電解液中存在持續消耗電解液的嚴重副反應（H₂析出）。因此，應更多地研究影響鋅腐蝕和鈍化行為的關鍵因素，如鋅電極的形態結構和添加劑、電解液的pH值、鹽類和電解液添加劑。

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圖2. 鋅負極的碳納米殼設計示意圖

電解液：鋅負極的行為也與電極/電解液相互作用密切相關。固態電解質的開發或液態電解質的優化，涉及鋅鹽類別、鹽濃度和添加劑，對于實現高效的鋅沉積/剝離至關重要。與ZnSO₄電解液相比，具有較低溶劑化效應的Zn(CF₃SO₃)₂、Zn(TFSI)₂和Zn(OTf)₂電解液表現出優異的電化學性能。

此外，采用超濃電解液或鹽包水電解液是拓寬電化學窗口、減少水致副反應的有效途徑。基于堿性和酸性電解液中HER和OER的高過電位，已經提出了一種電解液去耦策略，以拓寬電化學窗口并最大化電池的全部潛力。電解液體系的合理設計是擴大其電化學穩定窗口和優化鋅電極行為的有效方法。應加大力度開發先進的電解液體系，探索新的電解液鹽或電解液添加劑，進一步提高電池性能。

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圖3. 具有不同電解液和不同機制的水系鋅基電池系統的總結

正極：開發高穩定性、高容量和高效的正極材料對AZBs的應用也至關重要。對于涉及Zn²⁺嵌入/脫嵌的鋅離子電池，Zn²⁺緩慢的擴散動力學導致正極材料的選擇有限。在這些正極材料中，錳基氧化物因其相對較高的工作電壓和較高的比容量而備受關注。然而，水系電解液中的大多數正極材料仍然存在容量低的問題。

為避免由Zn²⁺低遷移率引起的問題，已經提出了涉及Li/Na/K/Mg/Al嵌入/脫嵌的水系鋅雜化電池(AZHBs)以提高其電化學性能。除了具有嵌入/脫嵌化學的鋅基電池外，開發高效的正極催化劑對于實現高性能鋅-空電池和鋅- CO₂電池至關重要。然而，大多數無機碳基催化劑顯示出有限的電催化活性和穩定性。探索獲得有效活性位點或調節其電子狀態的新策略在未來非常有前景。

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圖4. 鋅基電池幾種代表性放電機制

Aqueous Zn-based rechargeable batteries: Recent progress and future perspectives. InfoMat 2021. DOI: 10.1002/inf2.12265

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